薄钢板内在缺陷的高精度检测系统的开发［日］竹腰笃尚摘要在本厂，对食品罐头材料特别是ＤＩ（ 拉伸制罐材０在冲制加工中，由于其表面的微小缺陷而频频发生裂纹报废。为了及早发现这种缺陷 ，需对这些材料在全长全宽的范围内进行稳定的缺陷检测系统的开发。目前仅用较低的成本已开发 出能检测５Ｘ１０￣（－４）ｍｍ￣３微小内部缺陷的系统，并于１９９１年４月在２号鼓轮式剪 切机组上投入了使用，获得了预期效果。１前言镀锡钢板和镀锡钢带主要用作制罐材料，在这个领 域中，与泄漏有直接关系的针孔一类缺陷应视作重大缺陷，也是用户最不满意的一种缺陷。特别是 饮料罐头材料，近年来为了降低成本，将板厚减薄了１０％～２０％，于是以前不成问题的那种微 小夹杂，现在往往会导致加工部位发生龟裂。一般说来，造成针孔之类的缺陷的主要原因有两个。 一是在热轧时由于氧化铁皮的压入或者由于物理性伤痕，而产生一种称作为“划痕”的缺陷，严重 时表面目视就能判定确认，另一个是炼钢过程中象铝金属等和一些非金属夹杂物，或者是气泡等， 潜伏在板坯里面而形成通称为“夹杂物”的缺陷，这种缺陷仅靠目视多数是难以判定确认的。从理 论上讲，这类缺陷以前用针孔检测器和激光扫描检测器，可以将穿透性孔以及表面伤痕，利用光学 原理来检测。但是从管理角度上来说，用这种方式即使在“三级冲制制罐”的材料上，要想完全消 耗除缺陷也是困难的。尤其是在拉伸制罐材和重复拉伸制罐材上进行冲料。随着需要进行两级拉伸 减薄的制罐材料的增加，对上述缺陷的控制水平就变得更高了。由上述可知，在厂为确保制罐材料 的质量对导制加工中出现裂纹的划痕和夹杂物在材料的全长、全宽的范围内需要进行检测，才成功 地开发了该系统。它能稳定地检测出５Ｘ１０￣（－４）ｍｍ￣３的微小内部缺陷，而且造价低廉 。１９９１年４月主要用于三级式冲制的制罐材料上，设置在２号鼓轮式剪切机组上，投入了使用 ，取得了良好效果，下面就来介绍本设备系统的概要。２检测原理图１表示了检测原理。用的是磁 力线泄漏法。即在直流磁场下，使钢板磁化趋近达到饱和状态，此时在其缺陷部位，有着几乎和缺 陷的体积成比例的磁力线向外泄漏，然后通过磁传感器可把泄漏的磁力线检测出来，自然也能将钢 板上缺陷的大小测定出来，但是，在泄漏的磁力线中有垂直方向成分的也有水平方向成分的，因为 本设备系统对检测水平方向成分的比较困难，所以就以垂直方向的成分来检测其缺陷。３系统组成 ３．１全体机能构成作为本系统硬件处理部分的主体有缺陷检测部。信号放大部，信号处理部，而 作为软件处理部分的主体就是演算处理部，下面就来叙述各部分的概略机能。３．２缺陷检测部图 ３表示了缺陷检测部测头的构造。它由一对由非磁性体变成的激磁辊和传感辊所组成，而且作为激 磁辊，在其激磁线圈和磁轭里有一块和前进方向平行的钢板也得到了磁化。另外，校正线圈里的传 感器的检测灵敏度在短时间里能自动地得到校正。一方面在传感辊里磁极的中心处，沿着板宽的方 向上以１０ｍｍ的间隔的组列配置着磁传感器能够同时时钢板的全宽进行探伤。另一方面，在缺陷 检测部的四周，也设置着磁场校正机构以便受到的浮游磁场的影响最少，同时，也装入了用于自动 偏置的线圈，这样就可以随着钢板的移动来控制磁力线的歪斜。于是安装在中空辊里的这些机构又 通过轴承和中空辊联接起来，这样在通板时仅仅是中空辊成为旋转机构。表１列出了检测部的基本 参数。因此，传感辊的尺寸规格要考虑其机能的实现。辊子的安装环境以及辊子的加工性之后方可 决定。另外，辊子的材质要考虑达到提高和稳定检测性能为目的．可采用非磁性材料ＳＯＳ３１６ Ｌ。再者，激磁线圈的圈数和磁检测元件的配置数可离线通过各种试验结果来决定。３．３信号放 大部信号放大部设置在机侧。将微弱的传感信号放大后送往控制室。在传送的途中要防止掺入干扰 信号及Ｓ／Ｎ的降低。另外，通过自动纠偏，在的板高速行进时来补偿所发生的磁歪斜，同时也防 止了检测灵敏度的降低。再者，在放大器里也将各种电源供给缺陷检测部。３．４信号处理部信号 处理部设置在控制室里，通过自动纠偏使钢板稳定行进。作为与钢板速度有关的干扰可被自动地变 更所消除的下限周波数的设定值。于是低周波范围的干扰被删除了。另外，能把沿着板宽方向不变 的干扰作为基础干扰除去之后，通过传感器放大信号的机能，将可见的极性Ｓ／Ｎ提高了。另外， 针对计算机处理能力的不足，要将１０数ｍｓ之间的传感信号放大值设计为保持峰值的机能。在信 号处理部将处理的数据送往演算处理部。在送往期间在信号处理部不得将数据抽出。３．５演算处 理部作为演算处理部首先通过检出灵敏度的自动补正机能，将每次传感信号的检测灵敏度加以补正 ，然后把检测的缺陷传感数作为依据来判定焊接部，再然后对焊接部进行处理。除焊接部外，可对 缺陷进行等级判定，作为缺陷信息纳入管理。除以上所述外，该系统还设计了自我诊断功能，目的 是为着提高本系统的可靠性和稳定性。４为高精度化所需的基本技术本系统要求的微小缺陷检测精 度为５Ｘ１０￣（－４）ｍｍ￣３，这相对于一般性检查来说是相当严格的。为此必须要求构成本 系统的各要素技术都很高，那么其组合的结果才能达到高精度化。下面就来介绍一下本系统所采用 的以及新开发的主要功能。４．１高灵敏度磁传感器的采用本系统中所采用的漏磁法被广泛用于各 种计测和产品的检查。在这些领域里将漏磁变换成电气信号的磁传感的性能左右着整个系统的性能 。在市场上所卖的磁传感器中。无论是磁二极管、磁阻元件、空穴效应元件等还是信号的变换效率 都不太好，既影响了磁检测灵敏度的降低，又造成各个磁传感特性的偏差度的变大。这样，磁传感 的构造就不得不变得复杂起来。但无论如何却产生了传感器的使用条件受到限制等等这样一些问题 。为此在本系统中，本厂开发了采用高灵敏度磁传感（ＭＧＳ＋２）的方法。于是上述这些问题就 能解决了。图４表示了ＭＧＳ＋２的计测原理。该传感器是先在弱磁体铁心上绕上线圈，再在线圈 里由发信器，通过阻抗，供以交流电，直到将弱磁体铁心磁化到饱和状态为止。于是线圈的饱和磁 感就可以用下式来表示：式中：Ｓ：代表线圈的断面积；Ｎ：线圈数；μ：导磁率；ｌ：线圈的卷 度；ｆ：磁化周波数；ｋ：常数。而且，在线圈上得到的电压可表达如下ｅ＿０＝Ｚ＿ｓ·ｅ／（ Ｚ＋Ｚ＿ｓ）式中：ｅ：表示发信器的输出电压；Ｚ：直到饱和磁感；Ｚ＿ｓ：线圈的饱和磁感； ｅ＿０：在线圈上得到的输出电压。例如：在传感里未和外界磁场交差时，在交流电的正负值下， 铁心是对称地被磁化的。这样，在线圈上所得到的输出电压（ｅ＿０）的正极９Ｖｉ）和负极（－ Ｖ１）的振幅是相等的。如果在传感器里一旦和外界磁场发生了交差，那么铁心就在交流磁场和外 界磁场的合成磁场作用下进行磁化。当外界磁场迭加时，交流电值很小时铁心就饱和了，相反，外 界磁场相互抵消时，则铁心需要很大的值才能饱和，于是在线圈上得到的输出电压的正极和负极的 振幅差就产生了，将这个差检测出来，如果测定其磁场强度，那么就能够测出漏磁的大小。图５描 绘的是各种磁传感的检测灵敏度的比较。ＭＧＳ＋２在磁饱和状态下检测出线圈上得到的输出电压 的正极（Ｖ＿ｐ）和负极（－Ｖ＿ｐ）的振幅的差值。于是也能够判定出漏磁。正因为如此，与磁 二极管、磁阻抗元件，孔穴效应元件相比，该方法有如下特点：①检测灵敏度极高，可测得地磁场 的１／１００；②受温度影响很小，使用温度范围宽；③测定原理及构造都很单纯简单，因而有很 好的耐久性等。４．２ 双辊式的开发图６表示的是磁场检测元件的检测灵敏度和检测距离之间关 系的特性。一般说来，当磁场检测元件和钢板的距离（称之谓“射距”）一增加，检测灵敏度就会 立刻下降。所以为提高检测灵敏度，必须尽可能地将射距缩到极小。但是，一旦射距缩小到小于１ ｍｍ时，磁场检测元件和钢板的表面很有可能发生接触，会导致钢板表面产生缺陷，同时磁场检测 元件也会遭到损坏。另外，一旦该射距有了变动，那么即使是同样的缺陷，磁场检测元件所接受的 磁力线数量也会变化，于是就不能对缺陷大小作出正确的识别。所以，为了得到稳定的灵敏度，就 不能让射距发生变动。在本系统中，图３所示那样，开发了由中空磁化辊和传感辊组成的双辊式， 随即该问题得到了解决，也就是说钢板的张力直接作用在磁化辊的壁厚上，只要使张力保持恒定， 那么辊子就非常稳定。另外，传感辊装在弹簧下面，使钢板上的张力对辊不起作用而使辊子依然保 持稳定，此时，再使辊子的壁厚减薄来减小射距，于是检测灵敏度提高了，射距也稳定了。４．３ 磁屏蔽机构本系统中所采用的磁传感器，差不多能测到地磁场的１／１００，其灵敏度算是高的， 但是由于浮游磁场的掺入，不仅会增加干扰，而且在钢板的缺陷部位所反映出来的漏磁也会发生增 减，信号水平变得不稳定，Ｓ／Ｎ就降低，传感器受到浮游磁场的影响会产生磁饱和。因此，在本 系统中为了把传感器屏蔽起来，开发了一种遮断浮游磁场影响的磁屏蔽机构。采用了该机构之后， 浮游磁场的影响减少了，那刚刚开始出现的那种微小缺陷的信号的检测就成了可能。图７表示了采 用磁屏蔽后的效果。４．４ 自动偏置控制回路本系统中磁传感器的位置在磁极的中心，因此，如 果钢板处于静止状态，传感器就不会受到浮游磁场的影响，一旦钢板起动了，磁力线就歪斜了，浮 游磁场的直流成分会受到影响那么检测信号就乱了，为此，开发了磁歪斜控制机构，它能对应与钢 板的速度所产生的磁歪斜在动态下予以消除。图８表示的是自动偏置控制回路。图９表示了该控制 回路的效果。通过该装置功能的开发，使高速控制磁歪斜成为可能，开始应用于高速机组也成为可能。４．５ 传感器的检测灵敏度的自动校正机构磁传感和信号处理回路，随着时间的推移，其特性会逐渐地发生变化，为此需定期对本系统进行校正，有必要修正其检测灵敏度的补正值。虽然，以前可用标准试样进行离线校正，但是由于下述原因，校正的周期会愈拖愈长。这些原因是：①标
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